Lodě a čluny

Průměrná hustota

Pokud vám myšlenka vztlaku stále připadá trochu matoucí, vraťte se k přemýšlení o hustotě. Představte si, že by letadlová loď byla obrovská kovová krabice o stejném objemu (jako velká krabice od bot), částečně naplněná motory, letadly, námořníky a vším ostatním – takže by vážila stejně. Tato krabice by se vznášela, pokud by vážila méně než krabice stejné velikosti naplněná vodou; jinak by se potopila. Takže stručně řečeno, letadlová loď plave, protože váží méně než stejný objem vody – protože její průměrná hustota je menší než hustota vody, která ji obklopuje.

Foto: Nejjednodušší způsob, jak pochopit, proč věci plavou, je zapomenout na Archiméda a místo toho přemýšlet o hustotě. Loď plave, protože její průměrná hustota je relativně malá. Tato prázdná vojenská dopravní loď je ve skutečnosti obrovská prázdná kovová krabice. Vydělte její celkovou hmotnost (její vlastní hmotnost plus hmotnost jejího obsahu) jejím objemem a získáte její průměrnou hustotu. Ta je menší než hustota pevné kovové krabice nebo kovové krabice naplněné vodou, a proto loď plave. Foto: Gary Keen s laskavým svolením US Navy.

Proč se lodě nepřevracejí?

Pokud jste někdy vylezli na veslici přivázanou k jetu, budete mít představu o tom, jak velmi nestabilní mohou být malé lodě, když je začnete nakládat. Když se postavíte do člunu, stáváte se fakticky jeho součástí, takže měníte jeho těžiště,čímž se okamžitě dostáváte mnohem výš. Protože do člunu vstupujete z boku, v okamžiku, kdy vstoupíte na palubu, posunete těžiště směrem k místu, kde stojíte. nyní již těžiště není nad středem člunu, a to způsobuje, že se celá loď otáčí směrem k vám. Loď se může relativně volně kývat ze strany na stranu; protože má kladný vztlak, stačí jen malá síla, aby se ve vodě pohnula. To vše dohromady způsobuje, že se malý člun poměrně snadno převrátí (otočí se na bok a často se potopí). Tím, že si do malého člunu sednete, snížíte jeho těžiště a učiníte ho stabilnějším.

Foto: Malé čluny mohou být poměrně nestabilní, a to i s kýlem. Silný vítr by mohl tuto loď převrátit, proto všichni členové posádky sedí podél okraje, aby vyrovnali sílu otáčení vlastní vahou. Foto: Chad Runge s laskavým svolením US Navy.

Větší lodě tímto problémem netrpí. za prvé mají obvykle těžké kovové motory velmi nízko pod hladinou vody, což jim dává nízké těžiště a činí je stabilnějšími. Za druhé, mají větší kýl (svislá deska probíhající pod vodou, zezadu dopředu, podél středové „páteře“ pod lodí. Kýl pomáhá zabránit převrácení (pohybu ze strany na stranu) nebo převrácení lodi, protože znamená, že je zapotřebí větší síly k tlačení lodi do stran po vodě nebo k jejímu otáčení. Kýl také hraje roli při řízení a pohonu lodi, jak uvidíme za chvíli.

Jak se lodě pohybují?

Gravitace je síla, proti které musíme působit, když chodíme po souši. Pokud ale patříte mezi nadšené plavce,jistě víte, že při pohybu na vodě to není žádný problém, protože vaše tělo je relativně vztlakové:i když je vaše tělo tvořeno převážně vodou, není celé z vody (váží méně než pytel vody přesně stejné velikosti). Odpor vody (odpor) je zdaleka největší silou, se kterou musí plavci bojovat – a to platí i pro lodě. Čím větší hmotnost loď nese, tím níže se nachází ve vodě a tím větší odpor vody vytváří. Proto mají lodě ostré úzké přídě (aby vytlačovaly vodu čistě z cesty) a zakřivené přední hrany, které se vyrovnávají (zvedají je z vody při pohybu). Hydrofoily tuto myšlenku dotahují do krajnosti tím, že používají podvodní křídla, která při pohybu zvedají jejich trupy nahoru a vynášejí je z vody.

Foto: Hydrofoil je typ lodi, který využívá podvodní křídla ke generování vztlaku při jízdě vpřed, čímž zvedá trup nad vlny a snižuje tak odpor vody. Foto: Mark S. Kettenhofen se svolením US Navy.

Stejně jako většina ostatních objektů se i lodě pohánějí pomocí tří Newtonových pohybových zákonů: 1) Nikam se nepohybují, pokud na ně nepůsobí nějaká síla, která je tlačí nebo táhne; 2) Pokud na ně působí vhodná síla, nutí je zrychlovat (pohybovat se rychleji nebo novým směrem) a větší síla je urychlí ještě více; 3) Pokud chce loď plout dopředu, musí působit silou, která ji tlačí dozadu – stejně jako se musíte odrazit skateboardem, abyste vystřelili dolů z chodníku (nebo se odrazit nohama, abyste šli dopředu).

Většina lodí používá jeden ze tří různých druhů pohonu: vesla nebo tyče, plachty a motory.

Vesla a tyče

Foto: Lidská síla zůstává spolehlivým způsobem pohonu lodi, ale pokud nemáte na obou stranách stejný počet vesel (nebo si strany neustále vyměňujete), budete se pohybovat na jednu stranu více než na druhou. Foto: Clay Weis se svolením US Navy.

Nejstarší formou pohonu lodí je prostá lidská síla. Můžete veslovat tak, že táhnete vodu dozadu pomocí velkých lopatek, nebo můžete něco jako vor napíchnout dopředu tím, že se odstrčíte od řeky nebo mořského dna. Vesla dosáhla svého vrcholu s úžasnými galérami vyvinutými v řeckých a římských dobách. Biremy (snad z druhého tisíciletí před naším letopočtem) měly dvě plošiny naplněné vesly, zatímco triéry (vynalezené několik set let před naším letopočtem) měly tři, kvadriéry čtyři a kvinkiremy pět (i když není jisté, zda by lodě s tolika lidmi nacpanými v takové výšce byly stabilní nebo efektivní). V každém případě brzy ustoupily plachtovému pohonu.

Plachty

Pokud pověsíte prostěradlo na sušení při silném větru, budete přesně vědět, jak plachetnice fungují! Lodě však nechtějí vždy odplout s větrem vanoucím přímo za nimi. v praxi to znamená, že plachty musí být umístěny pod úhlem, ale vítr se pak bude snažit unášet loď pod tímto úhlem místo ve směru, kterým chcete plout. Síla větru vás tlačí jedním směrem, takže potřebujete i další síly v jiných směrech, abyste ji korigovali a vytvořili výslednou (kombinovanou) sílu ve směru, kterým skutečně chcete plout. Pomáhají nám dvě další síly. Jednou z nich je síla od kýlu. Pokud vítr fouká loď částečně do strany, kýl tlačí proti vodě a pomáhá pohánět loď směrem vpřed. Kormidlo v zadní části lodi můžete také natočit tak, aby při dopadu vody na kormidlo vystřelilo pod úhlem a nasměrovalo loď na jednu nebo druhou stranu. (Kormidla bývala umístěna na pravé straně lodi a nazývala se kormidla, což je důvod, proč se pravá strana lodi, směřující dopředu, dodnes označuje jako pravobok; levá strana se nazývá levobok.)

Foto: Jachty mají více plachet, aby mohly zachytit vítr z jakéhokoli směru. Foto: Eric Brown se svolením US Navy.

Chcete-li plout proti větru, musíte použít atriangulární nebo lateenovou plachtu zavěšenou v přední části lodi v úhlu k protivítrům. Jakmile vítr narazí na plachtu, obtéká ji a zrychluje; plachta se chová podobně jako aerodynamický kryt (zakřivená plocha křídla letadla), vrhá vzduch kolem sebe a za sebe a tlačí loď dopředu (stejně jako vzduch z křídla směrem dolů pohání letadlo vzhůru).

Motory

Dávní námořníci byli bez větru ztraceni, ale to už dnes není problém díky motorům, které lze použít k pohonu lodních šroubů. První lodě poháněné motorem používalyvysokotlaké parní stroje poháněné uhlím; moderní motory jsou vždy poháněny naftou. Jediným skutečným problémem při použití spalovacích motorů k pohonu lodí je, že potřebují stálý přísun kyslíkupro spalování paliva; to znamená, že je nelze použít k pohonu ponorek pod vodou. Existuje však řešení: dieselový motor můžete použít v blízkosti hladiny k pohonu generátoru a nabíjení baterií, které pak slouží k pohonu elektromotoru a lodního šroubu, když je ponorka pod vodou. (Další možností je jaderný pohon, díky němuž může být ponorka pod vodou týdny nebo měsíce.)

Ne všechny lodě poháněné motorem používají vrtule. vodní skútry® a vodní skútry (velké vodní skútry) používají motory k pohonu oběžných kol (vodních čerpadel), která vytvářejí silný proud vody směřující dozadu. Síla vody, která se vrací zpět do vody, pohání loď vpřed, podobně jako horké výfukové plyny z proudového motoru.

Z jakých materiálů se vyrábějí lodě?

Přibližně každý materiál, na který si vzpomenete, se někdy používal k výrobě lodí. První čluny se vyráběly ze zvířecí kůže, kůry a dřeva, později se objevily dugouty, které se vyráběly vyřezáváním dřeva z pečlivě vybraného kmene stromu. V dávných dobách stavitelé lodí zdokonalili umění stavět lodě z oddělených prken, a to buď tak, že okraje jednoho prkna připevnili k okrajům okolních prken jako cihly ve zdi (což je známé jako carvel building), nebo, ještě lépe, překrýváním prken odspodu nahoru (technika známá jakoclinker building), což umožňuje stavbu pevnějších, lehčích a rychlejších lodí. Průmyslová revoluce přinesla další velkou inovaci: věk mohutných železných a ocelových lodí. Většina moderních lodí se dodnes staví z oceli, i když je poměrně těžká. Proto se dnes některé větší lodě vyrábějí ze silných a lehkých kovů, jako je hliník, zatímco menší lodě se často vyrábějí z lehkých kompozitů, jako je sklolaminát nebo superpevné plasty, jako je kevlar®.

Práce:

Krátká historie lodí a člunů

Odkazy na této časové ose vás zpravidla zavedou k dalším informacím na Wikipedii a dalších stránkách.

Pravěk a starověk

• ~10 000 let před naším letopočtem:
• ~5000BCE-3000BCE: První lodě zahrnují vory, lodě z kůže, kůže a kůry, kajaky a dugouty:
• ~3000BCE: Mezopotámští námořníci vynalezli plachty:
• ~2500BCE: Staří Egypťané vyrábějí první lodě z dřevěných prken:
• ~1500BCE-27BCE: Mínojci a Mykéňané se stali prvními velkými oceánskými mořeplavci, kteří prozkoumali Středozemní moře.
• ~1500BCE-27BCE:
• 27BCE-400CE: Řekové staví obří válečné lodě, včetně birem a trirem:
• ~300BCE: Římané staví galéry, starověké předchůdce moderních válečných lodí, s inovacemi včetně vyvýšeného můstku.
• ~300BCE: Římané staví galéry, starověké předchůdce moderních válečných lodí: Archimédes (287-212 př. n. l.) přichází s vědou o vznášení.
• 200 n. l: Lateenové plachty se začínají hojně používat ve Středomoří (i když se předpokládá, že byly vynalezeny o něco dříve v arabském světě).

Středověk

• 300: Vikingové vynalézají stavbu z klinkeru.
• 1200: Středové kormidlo začíná nahrazovat „kormidelní desku“.
• 1400-1600: Většina velkých lodí je postavena ze dřeva a poháněna plachtami.
• 1620: Cornelis Drebble staví první ponorku ze dřeva.
• 15. století: Velké plavby Kryštofa Kolumba (1451-1506),Vasco da Gamy (1460-1524),Ferdinanda Magellana (1480-1521) a dalších průkopníků objevování oceánů a plavby kolem světa.

Velký věk námořní dopravy

Fotografie: USS Constitution, přezdívaná „Old Ironsides“, je klasická třístěžňová fregata (válečná loď) z roku 1797, která je již dávno vyřazena z vojenské služby a nyní je fascinujícím muzeem v Bostonu. Foto: Kathryn E. Macdonald se svolením US Navy.

• 1777:
• 1783: Postavena první loď s železným trupem (v Anglii): Markýz d’Abbans (1751-1832) staví první parník.
• 19. století: Vzniká pravidelná „paketová lodní doprava“, která pluje podle jízdních řádů. Rychlé kliprové lodě stanovují plavební rekordy.
• 1807: Robert Fulton (1765-1815) stanovuje rekord v cestě z New Yorku do Albany s parníkem zvanýmClermont.
• 1819: Parník SS Savannah překonává Atlantik za rekordních 29 dní.
• 1836: Moderní lodní šrouby vynalezli (nezávisle na sobě) Francis Pettit Smith (1808-1874) a John Ericsson (1803-1889).
• 1837: Great Western, obří parní loď postavená Isambardem Kingdomem Brunelem (1806-1859), se stala první železnou lodí, která přeplavala Atlantik.
• 1850s:
• 1870-1898: Anglický stavitel lodí John Jordan vyrábí pravděpodobně první kompozitní loď přidáním obložení z dřevěných prken na železnou kostru: John Holland navrhuje a staví první praktickou ponorku poháněnou motorem, ale snaží se přesvědčit americké námořnictvo o jejím potenciálu.
• 1877:
• 1884: Anglický vynálezce John Thornycroft patentuje ranou formu vznášedla založenou na plovoucím leknínu: Sir Charles Parsons vynalézá vysoce účinný parní stroj zvaný parní turbína. V roce 1897 vyvíjí motorový člun poháněný parní turbínou nazvaný Turbinia.
• 1886:
• 1886: Německý automobilový průkopník Gottlieb Daimler používá benzínový motor k pohonu lodi: Gluckauf, jeden z prvních zaoceánských tankerů, je postaven a spuštěn na vodu v Británii.
• 1880: Švédský námořní důstojník ve výslužbě Charles G. Lundborg vynalézá čluny SWATH (smallwaterplane area twin hull), které jezdí vysoko nad vlnami na dvou ponořených trupech.

Moderní lodě

• ~1900: Bohatí lidé si užívají romantické, luxusní éry cestování po moři na palubách parníků, jako jsouMauretania,Lusitania aAquitania.
• 1906: Na jeho vývoji se podílel i průkopník telefonování Alexander Graham Bell.
• 1912: Titanic se zapsal do historie jako nejslavnější námořní katastrofa všech dob, když narazil na ledovec a potopil se, přičemž zahynulo více než 1500 lidí.
• 1930. léta:
• 1943: Němci vyvíjejí šnorchl, dýchací trubici, která umožňuje dieselovým motorům v ponorkách pracovat pod vodou, čímž se snižuje riziko jejich odhalení:
• 1955: Poprvé jsou použity námořní plynové turbínové motory:
• 1956: Americké námořnictvo spouští na vodu první ponorku s jaderným pohonem, USS Nautilus: Ideal X, první kontejnerová loď, je vypuštěna z Newarku ve státě New Jersey.
• 1959:
• 1960: Vznášedlo Christophera Cockerella se vydává na svou první plavbu.
• 1960: Jacques Piccard a poručík Don Walsh z amerického námořnictva se potápějí na super vyztuženém potápěčském plavidle (batyskafu) v Terstu do hloubky asi 11 km v nejhlubší části oceánů, Mariánském příkopu.
• 1962:
• 1964: Woods Hole Oceanographic Institution v Massachusetts vyvíjí vědeckou ponorku Alvin, která začíná zkoumat oceán do hloubky téměř 5 km.
• 1978:
• 1992: Americké námořnictvo vyřazuje poslední ze svých obřích bitevních lodí USS Missouri.
• 1993: Vědecká loď JOIDESResolution je spuštěna na vodu: US Navy uvádí na vodu experimentální, radarem neviditelný stealth člun Sea Shadow, založený na konstrukci SWATH. V roce 2011 námořnictvo oznamuje, že hodlá plavidlo vyřadit.
• 2012:
• 2014: MS Tûranor PlanetSolar postavený v Německu se stal prvním vozidlem poháněným fotovoltaickými solárními články, které obeplulo svět: Norled MF Ampere, první plně elektrický osobní trajekt na světě poháněný bateriemi, zahajuje provoz v Norsku a šetří milion litrů nafty ročně.

.